Collaborazioni in ambito fusione Giornata di lavoro ENEA-INFN

Frascati, 1/7/21

Marco Ciotti, FSN-FUSPHY SVILUPPO RIVELATORI PER FUSIONE E

ENEA-Frascati (Danilo Pacella lab NIXT) e INFN-Frascati (resp. Fabrizio Murtas) e partecipazione a INFN-Energy

La collaborazione è iniziata nel 2012 con lo sviluppo di rivelatori a gas di tipo GEM per Soft X-ray imaging risolto in energia e l’impiego in esperimenti nel mondo (tuttora in funzione): • KAIST (Corea del Sud) dal 2013 • EAST (Cina) dal 2015 I rivelatori sono costruiti e calibrati a Frascati

Collaborazioni in ambito fusione, Giornata di lavoro ENEA-INFN, Frascati, 1/7/21 2 SVILUPPO RIVELATORi: X Ray

Vantaggi: • Camere con guadagno regolabile (fino a 105) • Alta efficienza e alta sensibilità • Versatilità nel design 2-D • Grande area attiva • Alta reiezione verso neutroni e gamma • Range di energia in 2-D : 2- 20 keV • Range di energia in 1D: 2- 50 keV

Collaborazioni in ambito fusione, Giornata di lavoro ENEA-INFN, Frascati, 1/7/21 3 SVILUPPO RIVELATORI: spettroscopia gamma

….a cui si sono aggiunti i rivelatori C-MOS al Silicio per spettroscopia gamma in esperimenti laser-plasma, provati su : • Eclipse (Francia) • Vega II (Spagna) Energy of gammas produced • Gekko XII (Giappone) In laser plasma interaction at Vega -2 Energy range : 40 keV – 10 Mev

4 SVILUPPO RIVELATORI: neutroni

……con l’ultimo prototipo C- MOS accoppiato con diamante mono- cristallino per la rivelazione di neutroni veloci (fino a 14 MeV)

5 LAboratory Plasma for Ultraviolet Space (LAPSUS) Aim of Collaboration with ENEA: • Calibration of spectrometer with available Marina Giarrusso (P.I) sources at ENEA INFN – LNS, Catania, Italy • Validation of CHIANTI, the atomic database for astrophysical plasmas, with Francesca Bombarda existing data from well characterized ENEA-FSN-FUSPHY-SDL, laboratory plasmas (FTU) Frascati, Italy • Diagnostics of PROTOSPHERA and DPP Francesco Leone (Discharge Produced Plasmas) sources.

Vacuum INAF/Uni. Catania, Italy

Shared Shared Vacuum • UV spectrometer 70-420 nm • R = λ/∆λ = 20000 • Portable • Low cost

Cooling System Reazioni di fusione nucleare a basso rate H-11B, iniziate da interazioni laser-materia, anche per interesse di tipo astrofisico; relativo sviluppo e test di diagnostiche impulsi elettromagnetici EMP iniziati da laser»

ENEA: F. Consoli, M. Cipriani, P. Andreoli, G. Cristofari, R. De Angelis, G. Di Giorgio, M. Scisciò, FSN-FUSPHY INFN: A. Bonasera, G.A.P. Cirrone, G. L. Guardo, M. La Cognata, L. Lamia, D. Lattuada, S. Palmerini, R.G. Pizzone, S. Romano, A. Tumino INFN Perugia, LNS Catania • Studio di reazioni di fusione nucleare a basso rate, quali ad esempio Schemi interazione laser con bersagli solidi per reazioni di fusione nucleare H-11B, iniziate da interazioni laser-materia, anche per interesse di tipo astrofisico • Impiego di target solidi ed in forma di cluster • Relativo sviluppo e test di diagnostiche avanzate in tale specifico e difficile ambito • Generazione di impulsi elettromagnetici (EMPs) ad alta intensità, nel dominio della radiofrequenza-microonde, generati da interazione laser- materia ad alta intensità. • Storica collaborazione del gruppo Fusione Inerziale di ENEA-Frascati con l’INFN. • Partecipazione congiunta a diversi esperimenti negli anni passati, sia sul laser ABC (ENEA- Frascati) che all'estero al Texas Petawatt Laser a Austin e ultimamente (ottobre 2020) al laser PALS di Praga (analisi dati in corso). • Una proposta di esperimento congiunto è stata presentata alla facility laser VEGA III di Salamanca (Principal Investigator: F. Consoli). Tale proposta è stata accettata, con finanziamento Laserlab-Europe. Data prevista al momento nel 2022.

Sviluppo metodologie avanzate per la diagnostica Sviluppo spettrometri Thomson avanzati per Interazione laser con cluster per reazioni dei prodotti di fusione con Solid State Nuclear caratterizzazione ioni di fusione nucleare Track Detectors • F. Consoli, et al, “Diagnostic Methodologies of Laser-Initiated 11B(p,α)2α Fusion Reactions”, Frontiers on Physics 8, 561492 (2020). Review Paper • G. Di Giorgio, et al, “Development of advanced Thomson spectrometers for experiments initiated by laser”, Journal of Instrumentation 15, C10013 (2020) • M. Cipriani, et al, “Spectral characterization by CVD diamond detectors of energetic protons from high-repetition rate laser for aneutronic nuclear fusion experiments”, Journal of Instrumentation 14, C01027 (2019). • F. Ingenito, et al, “Directional Track Selection Technique in CR39 SSNTD for low-yield reaction experiments”, EPJ Web of Conferences 167, 05006 (2018). • D. Giulietti, et al, “Laser-plasma energetic particle production for aneutronic nuclear fusion experiments”, NIM B, 402, 373, 2017. • M. Barbarino, et al “Thermal and log-normal distributions of plasma in laser driven Coulomb explosions of deuterium clusters”, International Journal of Modern Physics E 25 (2016) 1650063. • F. Consoli, et al “Study on a compact and adaptable Thomson Spectrometer for laser-initiated 11B(p,α)8Be reactions and low-medium energy particle detection”, Journal of Instrumentation 11, C05010, 2016. • D. Lattuada, et al “Model-independent determination of the astrophysical S factor in laser-induced fusion plasmas”, Physical Review C 93, 045808, 2016. • A.Curcio, et al, ”Fast ion emission and parametric instabilities in laser-solid target interaction“,J.Instrumentation 11, C04006, 2016. • M. Barbui, et al “A laser application to nuclear astrophysics“, AIP Conference Proceedings 1595, 168, 2014. 3 3 • W. Bang, et al, "Experimental study of fusion and proton yields produced by petawatt-laser-irradiated D2- He or CD4- He clustering gases", Physical Review E 88, 033108, 2013. • M. Barbui, et al, “Measurement of the Plasma Astrophysical S Factor for the 3He(d; p)4He Reaction in Exploding Molecular Clusters”, Physical Review Letters 111, 082502, 2013, ‘Suggested by Editors”. 3 3 • W. Bang, et al, “Temperature Measurements of Fusion Plasmas Produced by Petawatt-Laser-Irradiated D2 - He or CD4 - He Clustering Gases”, Physical Review Letters 111, 055002, 2013, • M. Barbui, et sl “Study of the yield of D-D, D-3He fusion reactions produced by the interaction of intense ultrafast laser pulses with molecular clusters”, Journal of Physics: Conference Series 420, 012060, 2013. • F. Consoli, et al, "Diagnostics improvement in the ABC facility and preliminary tests on laser interaction with light-atom clusters and p+11B targets", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 720, 149, 2013 3 3 • W. Bang, et al, "Temperature Measurements of Cluster Fusion Plasmas using D- He or CD4- He mixtures on the Texas Petawatt", Proceedings of Conference on and Electro-Optics (CLEO) - Quantum Electronics and Conference.

9 TASK DTT: interferometria

Referenti Onofrio Tudisco (ENEA) ; Davide Mascali (INFN)

 L’INFN (Catania) partecipa assieme ad ENEA, RFX e UnivTV, al task sull’interferometria.

 In particolare l’INFN è coinvolta nel sub task 3 per il confronto dei codici di ray- tracing, presenti all’università di TV, con i loro codici full-wave.

 Il codice FW verrà adattato alla geometria di DTT e dovrà simulare il percorso di un fascio laser.

 Il coinvolgimento prevede una quota di 0.5 ppm per l’INFN e 6 per Enea su 14 totali

 Sono coinvolti 4 ricercatori INFN con esperienza di interferometrie a microonde.

Collaborazioni in ambito fusione, Giornata di lavoro ENEA-INFN, Frascati, 1/7/21 10 ICH antenna conceptual design for DTT

Referenti: Alessandro Cardinali, Gianluca Ravera (ENEA); Davide Mascali, Giuseppe Torrisi, Luigi Celona, Santo Gammino (INFN)

SCOPE Choice of the most suitable IC antenna concept for DTT, refinement of its design and performance assessment with main plasma scenarios. Develop and validate a simulation tools Modeling tools Simulation of the antenna design and the coupling optimization will be done by using the following numerical tools: TOPICA (PoLiTo) : Antenna Design and Coupling CST MWS code (INFN), and new COMSOL/MatLab code for IC antenna HFSS code (Create) TORIC + SSQLFP (ENEA): Antenna + Plasma

Collaborazioni in ambito fusione, Giornata di lavoro ENEA-INFN, Frascati, 1/7/21 11 Reattori ibridi fusione-fissione

Riferimento: Fabio Panza (ENEA); Marco Ripani (INFN) Sistema Un reattore ibrido fusione-fissione si basa sull’accoppiamento tra magnetico una macchina afusione, con la funzione principlae di generare Reattore a neutroni, ed un sistema sottocritico a fissione che genera la fusione (DT/DD) maggior parte dell’energia. Rispetto agli ADS il sistema di accelerazione è sostituito dal reattore a fusione Plasma Fusione Acceleratore (protoni/elettroni)

Target per la produzione di neutroni Sistema sottocritico Subcritical ADS diriven system Mantello (ADS) Neutroni Combustibile nucleare (configurazione sottocritica sottocritico k<1) di fissione Reattori ibridi fusione-fissione: modelli studiati

Sistema a bassa potenza Combustibile Acqua MOX/esausto Barre di combustibile

Piombo solido

Tokamak Sistema di raffreddamento Sistema a media/alta potenza con mantello di fissione a sali fusi Riflettore in piombo/grafite Mantello di sali fusi

Tokamak Riflettore in compatto piombo Regione divertore Reattori ibridi fusione-fissioni: collaborazioni attivie INFN-ENEA

Sono state studiate differenti configurazioni sia per il mantello di fissione che per la tipologia di sistema a fusione da utilizzare

- Mantello di fissione: bassa e alta potenza - Tipologia di mantello di fissione: reattori al piombo, reattori ad acqua leggera, reattori a sali fusi

- Sistema a confinamento magnetico: , (RFP)

Attualmente stiamo collaborando con I seguenti enti e università: RFX and,CNR, Università La Sapienza, SOGIN and ROSATOM Reattori ibridi fusione-fissione: pubblicazioni INFN-ENEA

F. Panza, I. Balog, A. Cemmi, I. Di Sarcina, F. Filippi, E. Mansi, F. P. Orsitto, M. Osipenko, G. Ricco, M. Ripani, M. Ciotti, “Simple FFH pilot experiment model based on DTT-like machine” Eur. Phys. J. Plus (2020) 135:665

M. Ciotti, F. Panza , A. Cardinali, R. Gatto, G. Ramogida, G. Lomonaco, G. Ricco, M. Ripani, M. Osipenko,c”NOVEL HYBRID PILOT EXPERIMENT PROPOSAL FOR A FUSION- FISSION SUBCRITICAL COUPLED SYSTEM”, Problems of Atomic Science and Technology - Series (in fase di pubblicazione)

F.P. Orsitto, M. Angelone, M. Tardocchi, “DIAGNOSTICS AND CONTROL OF FUSION-FISSION HYBRID TOKAMAKBASED REACTORS: THE TECHNOLOGY FOR MEASUREMENT SYSTEMS”, Problems of Atomic Science and Technology - Series Thermonuclear Fusion (in fase di pubblicazione)

F. Panza, M. Carta, A. Cemmi, N. Cherubini, V. Fabrizio, L. Falconi, F. Filippi, G. Grasso, F.P. Orsitto, V. Peluso, “SET UP OF A DETERMINISTIC CALCULATION MODEL FOR THE ANALYSIS OF FUSION-FISSION HYBRID SYSTEMS”, Problems of Atomic Science and Technology - Series Thermonuclear Fusion (in fase di pubblicazione)

R. Piovan, P. Agostinetti, C. Bustreo, F. Bruno, R. Cavazzana, A. Cemmi,4, N. Cherubini, M. Ciotti, D. F. Escande, E. Gaio1, R. Iacovacci, G. Lombardi, G. Lomonaco, F. Lunardon, G. A. Marzo A. Maistrello, E. Mancini, A. Mariani, G. Mingrone, M. Osipenko, F. Panza, M.E. Puiatti, G. Ricco, M. Ripani, M. Valisa, T. Vignaroli, G. Zollino, M. Zuin, “Pilot FFHR based on a RFP as fusion core”, FUNFI-4 conference, 26th November 2020

C. Bustreo, P. Agostinetti, P. Bettini, R. Casagrande, R. Cavazzana, D. Escande, M. Osipenko, F. Panza, R. Piovan, M.E. Puiatti, G. Ricco, M. Ripani, M. Valisa, G. Zollino, M. Zuin,, “RFP based Fusion-Fission Hybrid reactor model for nuclear applications”, Fusion Engineering and Design, Volume 146, Part B, 2019, Pages 2725-2728, ISSN 0920-3796,

Fabio Panza, Marco Ciotti, Nadia Cherubini, Valentina Fabrizio, Luca Falconi, Francesco Filippi, Luigi Lepore, Mario Carta, Alessandro Dodaro, Francesco Orsitto, Mikhail Osipenko, Giovanni Ricco, Marco Ripani, Massimo Salvatores, “Neutronic characterization of a TRIGA reactor in a sub-critical configuration”, TCADS-4 confererence, Antwerp, 16 th October 2019

Fabio Panza, Marco Ciotti, Nadia Cherubini, Valentina Fabrizio, Luca Falconi, Francesco Filippi, Luigi Lepore, Mario Carta, Alessandro Dodaro, Francesco Orsitto, Mikhail Osipenko, Giovanni Ricco, Marco Ripani, Massimo Salvatores, “Studies on fusion-fission pilot experiments, Coordinated Research Project (CRP) series on ‘Steady-State Compact Fusion Neutron Sources’, Vienna, 6 th Febbruary 2020

Preparazione tesi di laurea “Studio della fertilizzazione del torio in un sistema ibrido” e “An MCNP-FISPACT neutronic analysis on a fusion-fission reactor model” di S. Murgo e di C. Romagnoli Grazie per l’attenzione

Collaborazioni in ambito fusione, Giornata di lavoro ENEA-INFN, Frascati, 1/7/21